Виды волн¶
Волна — это распространяющееся в пространстве возмущение, сопровождающееся переносом энергии без переноса вещества. Волны классифицируют по нескольким признакам: форме возмущения (механические или электромагнитные), направлению колебаний относительно направления распространения (поперечные, продольные, комбинированные), а также по характеру среды и геометрии распространения.
¶Механические и электромагнитные волны
По физической природе различают два основных класса волн.
Механические волны возникают в среде, частицы которой совершают колебания вокруг положения равновесия. Для их распространения необходима среда — газ, жидкость или твёрдое тело. Примеры: звуковые волны, сейсмические волны, волны на поверхности воды.
Электромагнитные волны представляют собой колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся с конечной скоростью (в вакууме — около 300 000 км/с) и не требующие среды. К ним относятся радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи.
¶Поперечные и продольные волны
Классификация по направлению колебаний относительно направления распространения волны является одной из основных.
¶Поперечные волны
При поперечной волне колебания частиц среды происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Так распространяются волны на поверхности воды, а также электромагнитные волны: векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению движения волны. В твёрдых телах возможны поперечные волны, поскольку там есть сдвиговое сопротивление.
¶Продольные волны
При продольной волне колебания частиц происходят вдоль направления распространения, образуя зоны сжатия и разрежения. Так распространяется звук в воздухе и жидкостях, а также продольные (первичные, P-волны) сейсмические волны.
¶Комбинированные волны
В реальных средах возможны волны, в которых колебания имеют и поперечную, и продольную составляющие. Пример — сдвиговые (S-волны) сейсмические волны в твёрдых телах и волны Рэлея, распространяющиеся вдоль поверхности Земли.
¶Волны на поверхности воды
Волны на воде относят к поперечным, хотя строго говоря, частицы воды совершают почти замкнутые круговые или эллиптические колебания, а сама волна переносит энергию, а не вещество. Различают:
- Капиллярные волны — малые волны с длиной менее 1,7 см, у которых главную роль играют силы поверхностного натяжения.
- Гравитационные волны — волны большей длины, форма которых определяется силой тяжести. К ним относятся большинство волн на море.
- Волны сноса — длинные волны, сформировавшиеся далеко на океане и прибывающие к берегу.
¶Сейсмические волны
Сейсмические волны, возникающие при землетрясениях и взрывах, делятся на:
- Продольные (P-волны) — самые быстрые, распространяются в любом состоянии вещества.
- Поперечные (S-волны) — медленнее P-волн, не распространяются в жидкостях.
- Поверхностные волны (волны Лява и Рэлея) — распространяются вдоль поверхности Земли, обычно наиболее разрушительны.
¶Волны де Бройля
Квантовая механика утверждает, что любая частица обладает волновыми свойствами. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу частицы: λ = h/p, где h — постоянная Планка. Волны де Бройля проявляются в экспериментах с дифракцией электронов и других частиц.
¶Стоячие и бегущие волны
По характеру распространения различают:
- Бегущие (бегущие) волны — возмущение перемещается в пространстве, перенося энергию.
- Стоячие волны — возникают при наложении двух встречных волн одинаковой частоты и амплитуды. Узлы стоячей волны не колеблются, а пучности совершают максимальные колебания. Пример — вибрация струны или воздуха в трубе.
¶Волны в атмосфере и гидросфере
В атмосфере распространяются акустические гравитационные волны, штормовые волны на море, а также цунами — длинные волны, возникающие при подводных землетрясениях, способные переносить энергию на огромные расстояния с малыми потерями.
¶Применение
Знание видов волн используется в сейсмологии (определение эпицентров землетрясений), акустике, радиосвязи, медицинской диагностике (ультразвук), навигации (радар и гидролокация), а также в фундаментальной физике — при изучении строения материи.
Источники:
- Физическая энциклопедия
- Савельев И. В. Курс общей физики
- Франкфурт У. И. Физика атома и микромира
- Дубровский Л. Д. Курс общей физики